23 июля 2013

ПИЯФ: атомное сердце Гатчины

Схема ускорительного комплекса СЦ-1000

Сверхтекучий гелий, дейтериевый конденсатор, многощелевой поляризатор… Нейтроны – холодные, ультрахолодные и горячие… Критерии формирования Вселенной… Пресс-тур по главным объектам ПИЯФ, в котором приняли участие гатчинские журналисты, заставил припомнить полузабытые понятия из школьного учебника физики. И еще – фантастический мир братьев Стругацких.

…В частности, когда мы последний раз обсуждали теорию Гейзенберга, мы пришли к заключению, что она недостаточно «сумасшедшая».

Д.И. Блохинцев, выдающийся русский физик XX века

На данный момент в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова действуют две базовых экспериментальных установки – реактор ВВР-М и протонный ускоритель (синхроциклотрон). Ждет своего часа исследовательский реактор ПИК, экспериментальные возможности которого не имеют себе равных в России.

Современный ПИЯФ – мир особенных машин и еще более особенных людей. Модели таких минисообществ описаны у братьев Стругацких – излюбленных авторов физиков. Впрочем, это всего лишь стереотип, от которого лучше отказаться. Может быть, это самовнушение, а может быть, так оно и есть на самом деле, только всех людей, которые встречаются на территории ПИЯФ, объединяет некое внешнее сходство. Их лица вдохновенно сосредоточены – такое выражение встречается еще у философов. Как известно, споры шестидесятников «о физиках и лириках» потеряли всякий смысл, когда стало понятно, что и тех, и других роднит страсть к познанию и творчеству в любых формах. Что же касается «безуминки» – она явно присутствовала как у Сократа, так и у Эйнштейна. И тот, и другой пытались решить фундаментальные вопросы бытия – человека и Вселенной.

Чтобы увидеть мир, в котором живут и действуют настоящие физики, нужно пройти не одну ступень проверки. При входе на территорию ПИЯФ у нас тщательно проверяют документы, фото- и видеотехнику. Выдаются пропуска и соответствующие инструкции, после чего, в сопровождении сотрудника службы безопасности, мы проходим внутрь.

Там, за высокой бетонной стеной, – корпуса, разбросанные по лесу, и непривычная для горожанина тишина, прерываемая лишь пением птиц…

ВВР-М – первый реактор ПИЯФ

Первый пункт пресс-тура – научно-исследовательский реакторный комплекс ВВР-М – встречает нас очередной проверкой. Этот объект находится под усиленной охраной внутренних войск – по одному мы проходим через металлодетекторы и паспортный контроль. Надежно защищен ВВР-М и снаружи – укрепленный периметр в виде двойной стены с похожей на приграничную, вспаханной контрольно-следовой полосой.

У входа нас встречают советник директора ПИЯФ В.М. Самсонов и заведующий отделом нейтронной физики, профессор А.П. Серебров. Само здание, в глубинах которого находится реактор, похоже, не изменилось с конца 1950-х, когда запускался этот проект. В вестибюле теплый привет из советской эпохи – мозаичное панно во всю стену. Сюжет – рождение Вселенной, Земли и ее жителей. По словам наших гидов, панно спроектировал и собрал один из местных-умельцев, окончивший в свое время художественный вуз, а потом избравший профессию физика.

Эта картинка имеет прямое отношение к тому, чем занимаются ученые в ВВР-М: изучение элементарных частиц помогает понять принципы формирования и существования Вселенной.

По словам Анатолия Сереброва, несмотря на то, что наука долгие годы познает вещество и его структуру, в смысле познания Вселенной мы пока еще находимся на уровне Птолемея. С помощью приборов или без них мы можем увидеть только 5% вещества Вселенной («светящаяся материя»). Еще 25% занимает сконцентрированная в галактиках так называемая «темная материя», о существовании которой известно лишь косвенно. Остальные же 70% массы Вселенной скрыты в загадочной, равномерно распределенной в пространстве «темной энергии». Как считают ученые, расширение Вселенной, которое пошло после Большого Взрыва, длится до сих пор, причем с определенным ускорением. Это ускорение связано с проявлением загадочной «темной энергии». Возможно, именно она спасает нас от сжатия Вселенной и наступления вселенской катастрофы (или конечного коллапса).

Лаборатория гатчинского атома

Водо-водяной реактор (ВВР-М) – одна из базовых установок ПИЯФ, на которой ведутся фундаментальные исследования в области ядерной физики и физики конденсированного состояния. Здесь развиваются и реализуются нейтронные методы исследования вещества, радиобиологии и других смежных областей, производятся радионуклиды для медицинских целей и многое другое. Научные исследования проводятся как в активной зоне реактора, так и на экспериментальных установках, расположенных на выходах пучков нейтронов из канала реактора.

Начало строительства реактора относится к 1956 году, а в 1959 году состоялся его физический пуск. Несмотря на почтенный возраст, реактор является стабильно работающей ядерной установкой и по своим параметрам остается лучшим пучковым исследовательским реактором в России. До сих пор это один из самых мощных нейтронных источников в России – его тепловая мощность составляет 18 мегаватт.

Надев халаты и бахилы, сложной системой коридоров мы проходим в святая святых ВВР-М – в зал, где расположена реакторная установка. Внизу, под нами, вокруг реактора, множество приборов, переплетения проводов. И кажущийся очень маленьким рядом с реактором человек у компьютера…

Приручение нейтрона

Нейтрон – объект изучения номер один в научно-исследовательском реакторном комплексе. С одной стороны, он используется как инструмент исследования, с помощью которого ученые познают вещество и его структуру. С другой, нейтрон сам является объектом исследования. Изучение его характеристик позволяет понять принципы возникновения и существования Вселенной.

Методы исследований на ВВР-М основаны на особых свойствах этой элементарной частицы. В отличие от фотона, электрона, протона и нейтрино, нейтрон – нестабильная частица, самая долгоживущая (время его жизни – 900 секунд!). Отсутствие электрического заряда позволяет нейтронам проникать внутрь вещества без взаимодействия с его атомами.

Нейтроны позволяют исследовать структуру любого вещества вне зависимости от его атомного веса и плотности. Исследование вещества с помощью нейтронного метода гораздо эффективнее по сравнению с рентгеновским.

Многие годы на реакторе ВВР-М идет успешное освоение методов выработки холодных и ультрахолодных (медленных) нейтронов. Дело в том, что ультрахолодные нейтроны – самые легко управляемые и безопасные из всех типов нейтронов. На пучках холодных нейтронов можно изучать наноструктуры. В этих разработках используется еще одно важное свойство нейтрона – отражаться от вещества. Нейтроны фактически можно хранить в закрытом сосуде, а для того, чтобы продлить время его «жизни», ученые разрабатывают системы нейтронных «ловушек».

На реакторе ВВР-М реализуется уникальный проект источника ультрахолодных и холодных нейтронов с использованием сверхтекучего гелия. По мнению российских физиков, это будет лучший в мире источник ультрахолодных нейтронов. А в перспективе – создание современного нейтронного центра для исследования наноматериалов и фундаментальных взаимодействий.

Кроме основной научной деятельности, на ВВР-М многие годы осуществляется ряд практических программ. В частности, реактор много лет производит радиоактивные изотопы для медицинских целей – например, йод-125, молибден-99 (для получения технеция-99), которые используются для диагностики и лечения онкологии. Для индустрии в реакторе производится иридий-192.

По словам ученых, реактор ВВР-М в данный момент находится в хорошей форме – как в смысле ядерной и радиационной безопасности, так и в плане перспектив для научной и производственной деятельности. Несмотря на планируемый в ближайшее время запуск реактора ПИК, ВВР-М продолжит свою работу – в том числе как полигон для обкатки экспериментального оборудования перед постановкой его на ПИК.

Перспективы развития нейтронных исследований во многом связаны с подготовкой высококвалифицированных кадров, которых сейчас так не хватает институту. Предполагается, что ВВР-М станет базовой установкой для студентов-реакторщиков СПбГУ.

Ускорительный комплекс ПИЯФ

От центрального круглого здания ускорительного комплекса лучами расходятся корпуса разного назначения. Первый протонный ускоритель ПИЯФ, или синхроциклотрон СЦ-1000, находится в самом сердце комплекса. Это еще одна площадка для уникальных исследований в области физики элементарных частиц.

Что собой представляет протонный ускоритель

Новые частицы рождаются в результате преобразования энергии во время столкновения одной частицы с другой. Чем больше масса частицы, которую необходимо получить, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц.

Чтобы исследовать свойства материи на расстояниях менее 10-12 см, необходимо иметь пучки ускоренных частиц очень высоких энергий – более десятков мегаэлектронвольт (МэВ). Для этой цели подходят любые стабильные частицы, но чаще всего используются составляющие атома водорода – электроны и протоны.

Ускорители заряженных частиц называют циклотронами. В сущности это самые совершенные микроскопы, которые могут быть в распоряжении ученых. Ускорение частиц в них происходит за счет разности потенциалов электрического поля, а чтобы частицы удерживались строго на заданной траектории, необходимо поле магнитное. Частицы в ускорителях могут двигаться по спирали или по кругу. Эти потоки (пучки) частиц можно направить на мишень, где, в результате взаимодействия с частицами мишени, рождаются новые частицы. В этом, кстати, отличие однопучкового ускорителя (с неподвижной мишенью) от коллайдера – в последнем столкновения происходят на встречных пучках.

СЦ-1000 – самый мощный ускоритель в мире

Протонный ускоритель СЦ-1000 (синхроциклотрон) – вторая действующая экспериментальная установка ПИЯФ. Его физический пуск был произведен в 1967 году, и для того времени он стал одним из крупнейших ускорителей своего класса. За прошедшие годы СЦ-1000 прошел значительную модернизацию. По словам главного инженера ускорительного комплекса Е.М. Иванова, на сегодняшний день это самый большой синхроциклотрон в мире – энергия выведенного протонного пучка в нем достигает 1000 МэВ!

Программа научных и прикладных исследований на пучках синхроциклотрона весьма обширна – от исследований в структуре ядра до ядерной медицины.

Центр протонной терапии и ядерной медицины

В 1975 году на базе СЦ-1000 совместно с Российским научным центром радиологии и хирургических технологий (РНЦ РХТ) был создан комплекс протонной лучевой терапии, предназначенный для лечения различных заболеваний головного мозга, в частности, аденомы гипофиза и артериовенозных аневризм головного мозга.

Для лечения больных ученые-медики разработали уникальный метод облучения «напролет», или «Гатчинский метод». Суть его заключается в разрушении пораженных клеток органов-мишеней протонным пучком с энергией 1000 МэВ – с минимальным облучением окружающих здоровых тканей. В этом значительное преимущество протонной диагностики и терапии перед рентгеновской. Энергия пучка протонов подбирается так, чтобы частицы останавливались прямо в опухоли и оставляли всю свою энергию только здесь. Это очень важно, в частности, при облучении головного мозга: жизненно важные центры в нем расположены очень тесно, и их повреждение могло бы привести к необратимым последствиям.

В настоящее время курс протонной терапии на пучке синхроциклотрона ПИЯФ получили около двух тысяч пациентов. Это совершенно бескровная и безболезненная операция. На весь процесс – от фиксирования больного до облучения – уходит меньше часа, после чего пациенты доставляются обратно в клинику. Клиническая ремиссия наступает более чем в 85 процентов случаев.

Юлия ЛЫСАНЮК

(Продолжение следует)